กระบวนการบรรจุภัณฑ์หลักสามกระบวนการสำหรับเซ็นเซอร์ CMOS: อธิบาย CSP, COB และ PLCC

CSP ย่อมาจาก Chip Scale Package ตามชื่อที่บอกเป็นนัย คุณลักษณะสำคัญของมันคือขนาดบรรจุภัณฑ์เกือบจะเท่ากับขนาดคอร์ของชิปนั่นเอง ตามมาตรฐานแล้ว อัตราส่วนของพื้นที่แกนต่อพื้นที่บรรจุภัณฑ์โดยทั่วไปจะไม่เกิน 1:1.1​

ผังกระบวนการ:​

CSP คือแบบฟอร์มบรรจุภัณฑ์ที่ประมวลผลในระดับเวเฟอร์ กระบวนการพื้นฐานเกี่ยวข้องกับการประมวลผลไมโครเลนส์และฟิลเตอร์สีโดยตรง (หากจำเป็น) บนแผ่นเวเฟอร์วงจรที่เสร็จสมบูรณ์ ตามด้วยการสร้างอาร์เรย์กริดแบบลูกบอลผ่านกระบวนการกระแทก และสุดท้ายก็ตัดแผ่นเวเฟอร์ออกเป็นหน่วยเซ็นเซอร์แต่ละตัว ในการผลิตโมดูลกล้อง โดยทั่วไปเซ็นเซอร์ที่ใช้บรรจุภัณฑ์ CSP จะติดตั้งโดยตรงบน PCB โดยใช้เครื่องวางตำแหน่ง SMT

COB ย่อมาจาก Chip On Board นี่คือเทคโนโลยีการบรรจุหีบห่อที่ติดตั้งแม่พิมพ์เปล่าโดยตรงและเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้ากับแผงวงจรขั้นสุดท้าย​

ผังกระบวนการ:​

กระบวนการ COB มีความซับซ้อนมากขึ้น โดยดำเนินการในระดับชิปแต่ละตัวเป็นหลัก และโดยปกติต้องใช้คลีนรูมคลาส 1000 หรือแม้แต่คลาส 100

1. การติดดาย: ชิปเปลือยหั่นสี่เหลี่ยมลูกเต๋า (Die) ติดอยู่กับตำแหน่งที่กำหนดบน PCB โดยใช้อีพอกซีเรซินนำความร้อน (เช่น ซิลเวอร์เพสต์)​
2. การบ่ม: เนื้อเงินถูกบ่มด้วยความร้อนและยึดชิปไว้อย่างแน่นหนา​.
3. การต่อลวด: การใช้ลวดทองหรืออลูมิเนียม แผ่นบนชิปจะเชื่อมต่อกับแผ่นที่สอดคล้องกันบน PCB ผ่านการเชื่อมด้วยความร้อนอัด การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง หรือการเชื่อมด้วยความร้อน​
4. การทดสอบและการปิดผนึก: ทำการทดสอบทางไฟฟ้าเบื้องต้น จากนั้นจึงจ่ายอีพอกซีหรือเรซินสีดำแบบพิเศษเพื่อปกปิดชิปและสายไฟสีทองเพื่อป้องกัน ตามด้วยการบ่มขั้นสุดท้ายและการทดสอบขั้นสูงสุด

PLCC ย่อมาจาก Plastic Leaded Chip Carrier เป็นแพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิวประเภทเก่า-ซึ่งมีสายนำขยายจากทั้งสี่ด้านของตัวบรรจุภัณฑ์และโค้งงอลงในรูปแบบสาย "J"-​

ผังกระบวนการ:​

1. การบรรจุ PLCC เกี่ยวข้องกับการ-การบรรจุชิปล่วงหน้าเพื่อสร้างส่วนประกอบอิสระที่มีรูปร่างและหมุดมาตรฐาน​
2. ชิปติดอยู่กับลีดเฟรม.
3. การเชื่อมต่อไฟฟ้าภายในทำได้โดยการต่อด้วยลวด.
4. ตัวเครื่องขึ้นรูปและหุ้มด้วยวัสดุพลาสติก​.
5. เซ็นเซอร์ PLCC ที่ขึ้นรูปเป็นส่วนประกอบมาตรฐานจะติดตั้งบน PCB โดยใช้การบัดกรีแบบรีโฟลว์

ข้อดี:​

• ขนาดกะทัดรัดพิเศษ-รองรับการย่อขนาดอุปกรณ์เทอร์มินัล โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับกล้องไมโครในโทรศัพท์มือถือ นาฬิกาอัจฉริยะ ฯลฯ ซึ่งช่วยลดขนาดเซ็นเซอร์และประหยัดพื้นที่สำหรับโมดูลเลนส์​
• ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม: เส้นทางการเชื่อมต่อที่สั้นช่วยลดการสูญเสียสัญญาณและปรับปรุงความเร็วในการส่งข้อมูล.
• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดี: ชั้นบรรจุภัณฑ์บางและไม่มีฉากกั้นช่วยให้ระบายความร้อนจากเซ็นเซอร์ได้

ข้อเสีย:​

• ข้อกำหนดด้านความแม่นยำของกระบวนการสูงส่งผลให้ต้นทุนบรรจุภัณฑ์สูงกว่าสองวิธีอื่นๆ อย่างมาก​
• การส่งผ่านแสงไม่ดี: พื้นผิวป้องกันกระจกอาจทำให้เกิดภาพซ้อนเนื่องจากการแทรกซึมของแสงด้านหลัง ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพการถ่ายภาพของเซนเซอร์ CMOS​
• ความต้านทานการปนเปื้อนต่ำ: แม้ว่าจะสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แต่ยังคงมีข้อกำหนดบางประการสำหรับสภาพแวดล้อมการผลิต

ข้อดี:​

• ความน่าเชื่อถือสูง: การผสมผสานระหว่างตัวบรรจุภัณฑ์พลาสติกและโครงตะกั่วที่เป็นโลหะ ให้ความต้านทานแรงกระแทกและแรงสั่นสะเทือนดีเยี่ยม​.
• การติดตั้งและการทำงานซ้ำที่สะดวก: หมุดรูป J- อำนวยความสะดวกในการบัดกรีแบบรีโฟลว์และถอดประกอบได้ง่าย​
• ประสิทธิภาพของสัญญาณที่เสถียร: ระยะห่างของพินที่เหมาะสมจะช่วยลดสัญญาณรบกวนระหว่างพิน เหมาะสำหรับการส่งสัญญาณความเร็วปานกลาง-​

ข้อเสีย:​

• ขนาดบรรจุภัณฑ์ที่ใหญ่ทำให้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการการย่อขนาดของเซ็นเซอร์ไมโคร CMOS ได้​
• ความหนาแน่นของพินมีจำกัด ทำให้ยากต่อการปรับให้เข้ากับชิปเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนซึ่งมีจำนวนพินสูง​
• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนโดยเฉลี่ย: ค่าการนำความร้อนต่ำของวัสดุพลาสติกทำให้ไม่เหมาะกับเซ็นเซอร์กำลังสูง-

ข้อดี:​

• ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่สำคัญ: ขจัดวงเล็บและกระบวนการบรรจุภัณฑ์ที่เป็นอิสระ ส่งผลให้ต้นทุนวัสดุและกระบวนการต่ำที่สุด​
• ความสูงของบรรจุภัณฑ์ต่ำสุด มีส่วนทำให้โมดูลโดยรวมบาง และเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ไวต่อความหนา​.
• กระบวนการที่สมบูรณ์และการบูรณาการในระดับสูง: รองรับการบรรจุซับสเตรตร่วม-ชิปร่วม-หลายตัว โดยมีอัตราพิกเซลตายที่ควบคุมได้ภายใน 5 ต่อ 100,000​

ข้อเสีย:​

• การบำรุงรักษาต่ำมาก: ไม่สามารถเปลี่ยนเศษเปลือยทีละชิ้นได้หลังการเติม ส่งผลให้ต้องเปลี่ยนซับสเตรตทั้งหมดในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด​
• ข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับสภาพแวดล้อมการผลิต: การติดตั้ง PCB จำเป็นต้องมีการป้องกันฝุ่นและความชื้น เนื่องจากเศษเปลือยเสี่ยงต่อการปนเปื้อน​
• ใช้เวลาในการผลิตนานและอัตราผลตอบแทนมีความผันผวนอย่างมาก ส่งผลให้ต้องมีการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด

• บรรจุภัณฑ์ CSP เป็นตัวเลือกหลักสำหรับการย่อขนาดของเซ็นเซอร์ CMOS โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกล้องไมโครในอุปกรณ์พกพา เช่น โทรศัพท์มือถือและนาฬิกาอัจฉริยะ สามารถลดขนาดเซ็นเซอร์และประหยัดพื้นที่สำหรับโมดูลเลนส์​ได้.
• เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาด บรรจุภัณฑ์ PLCC จึงใช้ในเซ็นเซอร์ CMOS เพียงไม่กี่ตัวที่มีข้อกำหนดด้านขนาดไม่มาก เช่น กล้องวงจรปิดในยุคแรกๆ หรือเซ็นเซอร์ความละเอียดต่ำ-ทางอุตสาหกรรม และค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วย​
• แม้ว่าบรรจุภัณฑ์ COB จะมีความสูงต่ำที่สุด แต่ก็ต้องมีพื้นที่สงวนไว้สำหรับการติดและการปลูก ส่วนใหญ่จะใช้ในโมดูลเซ็นเซอร์ที่ไวต่อราคาและมีข้อจำกัดด้านขนาด เช่น การเฝ้าระวังความปลอดภัยและ-อุปกรณ์ยานยนต์หลังวางตลาด

• พื้นผิวป้องกันกระจกของบรรจุภัณฑ์ CSP ช่วยลดการส่งผ่านแสง ซึ่งอาจส่งผลต่อความไวของเซนเซอร์ CMOS จำเป็นต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบออปติคอลเพื่อชดเชยภาพโกสต์​
• ตัวบรรจุภัณฑ์พลาสติกและรูปแบบหมุดของบรรจุภัณฑ์ PLCC มีการรบกวนแสงเพียงเล็กน้อย แต่เส้นทางของสัญญาณยาวกว่าเส้นทางของ CSP ซึ่งอาจทำให้เกิดความล่าช้าของสัญญาณในเซ็นเซอร์ภาพความเร็วสูง-​
• บรรจุภัณฑ์แบบ COB ไม่มีชั้นบรรจุภัณฑ์เพิ่มเติมเพื่อบังแสง ในทางทฤษฎีแล้วจะมีความไวต่อแสงสูงกว่า อย่างไรก็ตาม เศษเปลือยจะสัมผัสกับการเพาะโดยตรง การป้องกันฝุ่นที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดคราบบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของการถ่ายภาพ

• เซ็นเซอร์ CMOS พร้อมบรรจุภัณฑ์ CSP มีระยะเวลาดำเนินการสั้นและมีต้นทุนอุปกรณ์ต่ำแต่ราคาต่อหน่วยชิปสูง เหมาะสำหรับอุปกรณ์เรือธงระดับกลาง-ถึง-ระดับสูง-ที่ต้องการประสิทธิภาพและขนาดขั้นสุดยอด​
• เซ็นเซอร์ที่มีบรรจุภัณฑ์ PLCC มีความเข้ากันได้ดีกับกระบวนการและค่าบำรุงรักษาต่ำ แต่มีต้นทุนวัสดุสูงกว่า COB เหมาะสำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมที่มีความต้องการความน่าเชื่อถือสูง​.
• เซ็นเซอร์ที่มีบรรจุภัณฑ์แบบ COB มีต้นทุนบรรจุภัณฑ์ต่ำที่สุด แต่ต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมากในอุปกรณ์ในกระบวนการผลิต และเผชิญกับปัญหาในการควบคุมอัตราผลผลิต เหมาะสำหรับเซ็นเซอร์ระดับกลาง-ถึง-ระดับต่ำ-สำหรับผู้บริโภค-หรืออุปกรณ์เฝ้าระวังที่ผลิตในปริมาณมาก-

• เซ็นเซอร์ในบรรจุภัณฑ์ CSP- มีความต้านทานแรงกระแทกต่ำและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์อุณหภูมิปกติในอาคารมากกว่า
• เซ็นเซอร์ในบรรจุภัณฑ์ PLCC-มีการป้องกันทางกลที่ดีและการเชื่อมต่อพิน-รูปตัว J ที่เสถียร ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงปานกลาง เช่น การใช้งานด้านยานยนต์และอุตสาหกรรม​
• เซ็นเซอร์แบบแพ็คเกจ COB- ได้รับการปกป้องระดับ IP65 ผ่านการใส่กระถาง โดยไม่มีมุมบอดในการรักษา มีความทนทานต่อความชื้น ความร้อน และละอองเกลือได้ดี เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน เช่น การเฝ้าระวังกลางแจ้ง